Corn (Maize) for Bioethanol as a Fuel Source/ar

▼تحتاج هذه الصفحة إلى معلومات وتحقق من الحقائق من قِبل شخص ذي خبرة. ملاحظة: بالإضافة إلى ذلك، يجب توثيق جميع الادعاءات.

يُعدّ الذرة (Zea Mays) أو الذرة الصفراء مصدراً شائعاً لإنتاج الإيثانول. ويُعرف الإيثانول أيضاً باسم الكحول الإيثيلي، أو كحول الحبوب، أو الكحول.

الذرة نبات ذو قدرة إنتاجية عالية، حيث يقوم بتحويل الطاقة الإشعاعية من الشمس بكفاءة إلى طاقة كيميائية. وتوجد هذه الطاقة داخل النبات وحبوبه، على شكل سليلوز وزيت ونشا.

يُستخدم الذرة كمادة خام لإنتاج الإيثانول، وذلك لاحتوائه على كميات كبيرة من الكربوهيدرات، وتحديداً النشا.

تتم معالجة النشا لتفكيكه إلى سكريات بسيطة، والتي يتم تغذيتها للخميرة من أجل صنع الكحول.

بدأ استخدام الذرة كمصدر لوقود الإيثانول في صناعة السيارات في عام 1908. أول سيارة لشركة فورد موتور، وهي موديل تي، استخدمت بنزين الذرة المحتوي على الإيثانول.

التسلسل الزمني لتاريخ الإيثانول

• في عام 1826، قام صموئيل موري بتطوير محرك يعمل بالإيثانول وزيت التربنتين.
• في عام 1896، قام هنري فورد ببناء الدراجة الرباعية، التي كانت تعمل بالإيثانول النقي.
• صُممت أول سيارة لشركة فورد موتور عام 1908 ، وهي سيارة موديل تي، لاستخدام كحول الذرة.
• بدأت شركة ستاندرد أويل في عام 1920 بإضافة الإيثانول إلى البنزين لزيادة الأوكتان وتقليل طرق المحرك.
• في عام 1940، بنى الجيش الأمريكي أول مصنع لإنتاج وقود الإيثانول في أوماها، نبراسكا. وكان الهدف من ذلك إنتاج الوقود للجيش وتوفير الإيثانول لخلطه مع أنواع الوقود الأخرى.
• 1940-1970 كان سعر البنزين منخفضًا جدًا في الولايات المتحدة، مما أدى إلى عدم وجود وقود إيثانول تجاري للبيع للجمهور العام.
• في ثمانينيات القرن العشرين، تمت إضافة مواد مؤكسجة مثل إيثيل ثالثي بوتيل الإيثر (ETBE) المصنوع من الإيثانول والبترول إلى البنزين.
• في عام 1988، تم تطبيق استخدام وقود الإيثانول المؤكسج لأول مرة طوال فصل الشتاء في دنفر، كولورادو. وقد سمح ذلك بالتحكم في انبعاثات أول أكسيد الكربون.
• نصت تعديلات قانون الهواء النظيف لعام 1990 على استخدام الوقود المؤكسج في فصل الشتاء في 39 منطقة.
• تطلبت تعديلات قانون الهواء النظيف لعام 1995 استخدام المؤكسجات على مدار السنة الكاملة في 9 مناطق.
• منذ تسعينيات القرن العشرين وحتى الآن، بدأت كبرى شركات تصنيع السيارات في الولايات المتحدة ببيع سيارات تعمل بالوقود المرن بنسبة 85% من الإيثانول.
• في عام 2003، تحولت ولاية كاليفورنيا إلى استخدام الإيثانول من أجل إنتاج بنزين مُعاد تركيبه.
• من عام 2003 وحتى الآن، حذت غالبية الولايات الأمريكية حذو كاليفورنيا واستبدلت ميثيل ثالثي بوتيل الإيثر (MTBE) بالإيثانول.
• قانون سياسة الطاقة لعام 2005 ، الذي نص على أن البنزين المباع في الولايات المتحدة يحتوي على قيمة دنيا من الوقود المتجدد.
• في سبتمبر 2006، تم توقيع برنامج معايير الوقود المتجدد (RFS). وقد صُمم هذا البرنامج لتشجيع مزج أنواع الوقود المتجدد (الإيثانول) في وقود السيارات على مستوى البلاد.
• قانون استقلال الطاقة والأمن الذي وقعه رئيسنا والكونغرس في ديسمبر 2007 ، والذي نص على توفير 15 مليار جالون من الوقود المتجدد (الإيثانول) بحلول عام 2015.
• 2007-2008 شهدت الولايات الفردية زيادة كبيرة في فرض استخدام بنزين E10 الذي يحتوي على 10% من الإيثانول.

تبدأ عملية الإنتاج التجاري للإيثانول كوقود في الولايات المتحدة بتحليل النشا الموجود في الذرة إلى سكريات بسيطة (الجلوكوز). تُغذى هذه السكريات للخميرة لتحفيز عملية التخمر، والمنتج الرئيسي الناتج هو الإيثانول. ومن المنتجات الثانوية لهذه العملية علف الحيوانات. توجد طريقتان مختلفتان لإنتاج الإيثانول كوقود على نطاق صناعي، وهما في الولايات المتحدة: الطحن الرطب والطحن الجاف.

تُشكّل عملية الطحن الجاف أكثر من 70% من إنتاج الإيثانول، وذلك لأن هذا النوع من المصانع يُبنى على نطاق أصغر وبتكاليف استثمارية أقل. وتتلخص هذه العملية في معالجة الحبوب الكاملة ثم فصل المكونات المتبقية في نهاية العملية.

هناك خمس خطوات رئيسية في إنتاج الإيثانول بالطحن الجاف.

1. الطحن
2. التسييل
3. التحلل السكري
4. التخمير
5. التقطير والاستخلاص

الطحن

تتضمن الخطوة الأولى معالجة الذرة باستخدام مطحنة مطرقية ذات مناخل بفتحات تتراوح بين 3.2 و 4.0 ملم. بعد معالجة الذرة الأولية، تُصبح دقيق ذرة. يُخلط الماء مع دقيق الذرة الكامل، ثم يُضاف إليه إنزيم مقاوم للحرارة يُعرف باسم (ألفا-أميليز) .

التسييل

التسييل هو الخطوة الثانية، ويتضمن طهي "عجينة" الذرة. تبدأ العملية باستخدام أجهزة طهي تعمل بالبخار، حيث تُضخّ البخار في عجينة دقيق الذرة، مما يسمح لها بالوصول إلى درجات حرارة أعلى من 100 درجة مئوية (212 درجة فهرنهايت). تتفكك حبيبات النشا داخل سويداء حبة الذرة بفعل الحرارة والقوى الميكانيكية خلال عملية الطهي. تعمل الإنزيمات على تكسير بوليمر النشا إلى أجزاء أصغر. تُبرّد عجينة الذرة المطبوخة إلى 80-90 درجة مئوية (175-195 درجة فهرنهايت)، ويُضاف إليها إنزيم مقاوم للحرارة (ألفا-أميليز). تستمر عجينة الذرة في التسييل لمدة 30 دقيقة على الأقل.

التحلل السكري

يُطلق على هذا المزيج اسم "عجينة الذرة" بعد عملية التسييل. تُبرّد العجينة إلى حوالي 30 درجة مئوية (86 درجة فهرنهايت)، ويُضاف إليها إنزيم ثانٍ يُسمى غلوكو أميليز. يُكمل غلوكو أميليز عملية تحويل النشا إلى سكر بسيط (الجلوكوز). يُستخدم مصطلح "التحلل السكري" لوصف العملية التي تحدث أثناء ملء عجينة الذرة للمُخمّر استعدادًا للتخمير. وتستمر عملية التحلل السكري خلال عملية التخمير.

التخمير

تبدأ عملية التخمير بإضافة الخميرة المُستنبتة في خزانات البذور إلى هريس الذرة، مما يُحفز عملية تحويل السكريات البسيطة إلى إيثانول. تبقى مكونات حبة الذرة، كالبروتينات والزيوت وغيرها، دون تغيير خلال عملية التخمير. تتم هذه العملية على دفعات، حيث يُملأ الخزان ويُترك ليتخمر بالكامل، ثم يُفرغ لبدء دفعة جديدة. بعد اكتمال التخمير، يحتوي الجزء السائل المتبقي من الهريس على نسبة إيثانول تتراوح بين 8 و12% من وزنه.

التقطير والاستخلاص

التقطير هو عملية فصل الإيثانول عن الماء. تبدأ عملية الفصل بمعرفة أن درجة غليان الإيثانول أقل من درجة غليان الماء. تستطيع أنظمة التقطير/التكرير القياسية الوصول إلى نقاء إيثانول يتراوح بين 92% و95%. وللحصول على إيثانول نقي (أكثر من 99%)، يُزال الماء المتبقي باستخدام مناخل جزيئية تمتص الماء بشكل انتقائي من خليط الإيثانول وبخار الماء. يُطلق مصطلح "المخلفات السائلة" على الماء المتبقي ومواد الذرة الصلبة المتبقية بعد عملية التقطير. تُفصل هذه المخلفات السائلة باستخدام جهاز طرد مركزي، حيث يفصل السائل (المخلفات السائلة الرقيقة) عن قطع الحبوب الصلبة (حبوب التقطير). يمكن ترشيد استهلاك الماء عن طريق إعادة تدوير جزء من المخلفات السائلة الرقيقة إلى بداية عملية الطحن الجاف.

العمليات الأولية: الطحن، التسييل، والتحويل إلى سكريات

العمليات اللاحقة : (التقطير والاستخلاص)

• يستخدم نظام الطحن الجاف الفعال عمليات الإنتاج الأولية والنهائية بشكل متزامن. عادةً ما تحتوي المنشآت التي تستخدم هذه الطريقة على ثلاثة خزانات للتخمير: خزان للتعبئة، وآخر للتخمير (لمدة 48 ساعة)، وثالث لتفريغه وتجهيزه للمرحلة التالية.
• من الطرق الأخرى لزيادة الكفاءة الإجمالية لمنشأة الطحن الجاف، جمع ثاني أكسيد الكربون الناتج أثناء التخمير. يمكن ضغطه وبيعه لشركات المشروبات الغازية لاستخدامه في الكربنة، أو تجميده لاستخدامه كثلج جاف.
• يمكن تبخير مخلفات التقطير لإنتاج شراب كثيف. يُخلط هذا الشراب مع مخلفات التقطير والحبوب ويُجفف لإنتاج نوع من علف الحيوانات. يُسمى هذا المنتج "حبوب التقطير المجففة مع المواد الذائبة" (DDGS). يُباع هذا المنتج للمزارعين المحليين، مما يُساهم في إغلاق حلقة الإنتاج ضمن نظام إنتاج الإيثانول الحيوي. يُمكن إنتاج حوالي 17 رطلاً من DDGS لكل بوشل.

تستطيع مصانع الإيثانول الحالية التي تعمل بتقنية الطحن الجاف تحويل حبوب الذرة إلى إيثانول بمعدل حوالي 2.8 جالون لكل بوشل.

يُعتبر الإيثانول مصدراً للطاقة المتجددة. تفوق فوائد استخدام الطاقة الشمسية لزراعة المحاصيل التي يمكن معالجتها لاحقاً لتصبح وقوداً للنقل، آثار تحويل الموارد الطبيعية إلى وقود. يُساهم هذا الوقود البديل في الحفاظ على البترول وتقليل الانبعاثات.

أمن الطاقة

استوردت الولايات المتحدة حوالي 24% من البترول الذي تستهلكه البلاد.

لولا مزج الإيثانول في البنزين، لكانت النسبة 24% قد وصلت إلى 32%.

يستهلك قطاع النقل ما يقارب ثلاثة أرباع إجمالي استهلاك الولايات المتحدة من البترول. ولإضافة الإيثانول إلى مزيج الوقود تأثير كبير على الانبعاثات المنبعثة في الغلاف الجوي.

تأثيرات إنتاج الإيثانول على الوظائف: يخلق إنتاج الإيثانول وظائف داخل المناطق الريفية ويعزز فرص العمل حيثما تشتد الحاجة إليها.

أدى إنتاج الإيثانول في عام 2015 إلى

• إضافة حوالي 86 ألف وظيفة في جميع أنحاء البلاد.
• 44 مليار دولار في الناتج المحلي الإجمالي
• 24 مليار من دخل الأسر

إن إضافة الإيثانول إلى البنزين يعزز

• دعم اقتصاد الولايات المتحدة
• التنوع داخل أسطول النقل في الولايات المتحدة
• يقلل من تأثير اضطرابات الإمداد الدولية

تخفيضات الانبعاثات

يُعادل ثاني أكسيد الكربون المنبعث من المركبة أثناء احتراق الإيثانول، ثاني أكسيد الكربون الذي يتم امتصاصه أثناء زراعة الذرة لإنتاج الإيثانول. وتُخفّض انبعاثات غازات الاحتباس الحراري بنسبة 40% تقريبًا عند استخدام الإيثانول المُستخلص من الذرة والمُنتج في المطاحن الجافة.

يعتمد العائد الطاقي على الاستثمار (EROI) على الموارد التي تم استخدامها لزراعة الذرة ومعالجة الإيثانول ونقل الوقود.

عوامل العائد على الاستثمار الاقتصادي

• ديزل للآلات (الجرارات والحصادات)
• يُستخدم الغاز الطبيعي في الأسمدة النيتروجينية
• الغاز الطبيعي والكهرباء في مصنع الإيثانول
• الطاقة المستخدمة في نقل إيثانول الذرة

تحويل الأراضي لإنتاج الذرة

المشاكل المرتبطة بتحويل البراري البكر إلى أراضٍ زراعية

• فقدان التنوع البيولوجي
• الكربون المخزن على شكل مادة عضوية يُطلق في الغلاف الجوي
• يساهم في انبعاثات غازات الاحتباس الحراري.

زيادة استخدام الأسمدة

أدى الارتفاع المفاجئ في إنتاج الذرة لاستخدامها في إنتاج الإيثانول إلى زيادة كبيرة في استخدام الأسمدة. وهذا يزيد من خطر جريان الأسمدة إلى النظم البيئية الحساسة، مما قد يسبب أضرارًا بيئية جسيمة.

الغذاء مقابل الطاقة

أدى تحويل الذرة من الغذاء إلى الوقود إلى ارتفاع أسعارها. وازداد الطلب عليها لتلبية متطلبات الولايات المتحدة المتزايدة لاستخدام الإيثانول في البنزين، مما تسبب في ارتفاع أسعارها عالميًا. وتأثرت الدول النامية، التي تعتمد بشكل كبير على الذرة لتلبية احتياجاتها اليومية من السعرات الحرارية، بشدة بهذا الارتفاع.

"فوائد واعتبارات الإيثانول". مركز بيانات الوقود البديل: فوائد واعتبارات الإيثانول، وزارة الطاقة الأمريكية، www.afdc.energy.gov/fuels/ethanol_benefits.html.

موسيير، ناثان إس، وكلاين ليليجي. "كيف يتم صنع وقود الإيثانول من الذرة." جامعة بوردو، 3 يونيو 2012، ص 1-4.

تفيربيرغ، غيل. "ما هي مشاكل استخدام إيثانول الذرة كوقود؟" عالمنا المحدود، 10 يناير 2011، ourfiniteworld.com/2011/01/10/what-are-the-problems-with-using-corn-ethanol-for-fuel/.

فولكر، جون. "وكالة حماية البيئة تُبقي على إلزامية الإيثانول المصنوع من الذرة، وترفض طلب تعليقه." تقارير السيارات الخضراء، 19 نوفمبر 2012، www.greencarreports.com/news/1080551_epa-keeps-corn-based-ethanol-mandate-rejects-suspension-request.